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Nachhaltiges Lieferantenmanagement mit Business Intelligence
No full textIn den vergangenen Jahren ist der Druck auf Unternehmen gestiegen, nicht mehr ausschließlich ökonomische Zielsetzungen zu verfolgen, sondern auch ökologische und soziale Aspekte in ihrer Geschäftstätigkeit zu berücksichtigen. Ein Themenfeld, in dem die Beachtung von Nachhaltigkeitsaspekten eine zentrale Rolle spielt, ist das Lieferantenmanagement. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie Business Intelligence (BI) als Instrument der betrieblichen Entscheidungsunterstützung einen Beitrag dazu leisten kann, ein nachhaltiges Lieferantenmanagement IT-seitig zu unterstützen und umzusetzen. Es wird eine generische
Referenzarchitektur entwickelt, die die Ausgestaltung der Funktionen und Elemente der Ebenen einer BI-Architektur von den Datenquellen über die Datenhaltung und -bereitstellung bis hin zur Analyse und Präsentation von Daten umfasst
Ultrafast structural non-equilibium dynamics of the optical induced Si(111)(8x2)→(4x1)-In phase transition
No full textGegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der initialen strukturellen Dynamik des photoinduzierten Schmelzens der Ladungsdichtewelle in Indiumatomdrähten auf einer Silizium(111)-Oberfläche. Diese bilden sich nach Adsorption von weniger als einer Monolage Indium auf einer reinen Si(111)-Oberfläche bei erhöhten Temperaturen und anschließendem Kühlen unterhalb einer kritischen Temperatur von 130 K aus. Die strukturelle Dynamik wird dabei mithilfe zeitaufgelöster, oberflächensensitiver Elektronenbeugung in RHEED-Geometrie bestimmt. Hierbei wird die Oberfläche zunächst mit einem 120 fs kurzen Infrarot-Laserpuls angeregt. In variablen Zeitabständen zur optischen Anregung wird dann an der Oberfläche ein kurzer Elektronenpuls in streifenden Einfall gebeugt (Anrege-Abfrage-Prinzip). Das daraus resultierende Beugungsbild erlaubt Rückschlüsse über die Struktur der Oberfläche für die einzelnen Zeitpunkte relativ zur Anregung. Um die zu erwartenden Änderungen im sub-Pikosekunden Bereich beobachten zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit der experimentelle Aufbau für beste Zeitauflösungen hin optimiert. Der entscheidende Faktor hierbei besteht in der Schrägstellung der anregenden Laserpulsfronten um mehr als 70° bei einer Elektronenergie von 30 keV. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Zeitdifferenz zwischen Anregung und Abfrage über die gesamte abgefragte Probenoberfläche konstant ist. Durch Optimierung der optischen Schrägstellung und die gleichzeitige Reduktion der Elektronenanzahl in einem Abfragepuls konnte in dieser Arbeit das theoretisch zu erwartende zeitliche Auflösungsvermögen von 330 fs für den gesamten experimentellen Aufbau erreicht werden.
Die signifikante Verbesserung der Zeitauflösung ermöglichte dann die Untersuchung der ultraschnellen Nichtgleichgewichtsdynamik der optisch angeregten Ladungsdichtewelle in den (quasi-)eindimensionalen Indiumatomdrähten. Dabei zeigte sich, daß die Geschwindigkeit des optisch induzierten Schmelzens von der Fluenz des anregenden Lasers abhängt und zu hohen Fluenzen hin ein sättigendes Verhalten mit einer Zeitkonstante von etwa 350 fs aufweist. Mit abnehmender Fluenz erhöht sich diese Zeitkonstante exponentiell auf etwa 1.9 ps bei 0.9 mJ/cm². Ferner wird gezeigt, daß unterhalb dieser Anregungsschwelle die Ladungsdichtewelle nicht geschmolzen, sondern lediglich angeregt wird. Im Bereich zwischen 0.9 mJ/cm² und 2 mJ/cm² wird die Ladungsdichtewelle hingegen partiell über die Oberfläche geschmolzen. Die daraus resultierende strukturelle Transformation der Oberflächeneinheitszelle von (8 x 2) -> (4 x 1) erfolgt dabei nichtthermisch, da zum einen die Temperaturerhöhung durch die Anregung nicht ausreicht und zweitens die Zeitkonstante für das Aufheizen der Indiummonolage mit 2.2 ps um das Sechsfache höher ist, als die der beobachteten Phasenumwandlung für die höchste Laserfluenz.This thesis deals with the initial structural dynamics of the photoinduced melting of a charge density wave in atomic chains of Indium on a Silicon(111) surface. These chains were prepared by adsorbing less than one monolayer of Indium on a clean Si(111) surface at elevated temperatures and subsequent cooling below a critical temperature of 130 K. The structural dynamics were monitored with time-resolved surface sensitive electron diffraction in a RHEED-geometry. The experimental setup is a classical pump-probe scheme, where the surface is excited with infrared laser pulses at a temporal width of 120 fs and probed with ultrashort electron pulses under gracing incidence at variable time delays before, during and after optical excitation. Consequently, the corresponding diffraction patterns are subject to the atomic arrangement of the surface and therefore allow to monitor ultrafast structural changes in the time domain. However, because such photoinduced processes typically happen in the sub-picosecond region the overall temperal resolution of the experimental setup had to be improved prior to the measurements.For this purpose it is necessary to compensate the velocity mismatch of 30 keV electrons and light across the entire sample surface by tilting the pump pulse front by more than 70°. This ensures a constant time delay between excitation and probing. By adjusting the existing optical setup of the pulse front tilter and simultaneously reducing the number of electrons in the probe pulses the overall temporal resolution was finally improved to 330 fs, which is the maximum value for this setup.
The significant enhancement of the temporal resolution allowed the study of the ultrafast
non-equilibrium dynamics of the photoexcited charge density wave in the (quasi)-onedimensional Indiumchains. It was found that the speed of the optical induced melting crucially depends on the applied fluence of the pump laser and saturates at a timeconstant of about 350 fs at high fluences. With decreasing fluences the time constant increases exponentially to 1.9 ps at 0.9 mJ/cm². However, below this threshold the charge density wave does not melt but is merely excited. In the mid-fluence region from 0.9 mJ/cm² to 2.0 mJ/cm² the charge density wave melts partially across the surface. Hereby, the driving force for the resulting structural transformation of the surface unit cell from an (8 x 2) -> (4 x 1) reconstruction is purely non-thermal. This is due to two basic findings: first, the transient temperature increase of the Indium monolayer is not sufficient to overcome the phase transition temperature of 130 K and second, the time constant for thermal heating is 2.2 ps, making this process up to six times slower than the observed structural transformation for the highest fluences
Membran-basierte Aufreinigung von Nanopartikel-Dispersionen
No full textMembran-basierte Trennungen von Nanopartikel-Dispersionen (d.h. Gemischen aus Proteinen und Metalloxid-Nanopartikeln) wurde bisher nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet. Konventionelle Trennmethoden (z.B. Zentrifugation) beinträchtigen häufig die Produkteigenschaften und die Ausbeute. In dieser Arbeit wird zunächst eine Modellstudie beschrieben, in der Proteine (Rinderserumalbumin (BSA) oder Lysozym (LYS)) aus den dispersen Gemischen mit Siliziumdioxid-Nanopartikeln (nominale Größe: 20 nm) entfernt wurden, indem man die größenselektiven Eigenschaften der Ultrafiltration (UF) nutzt. Membranbasierte Trennverfahren weise eine Reihe von Vorteilen auf; sie sind leicht skalierbar, weniger aufwendig und besitzen eine hohe Durchsatzleistung. In dieser Studie wurden Membranen aus regenerierter Cellulose (RC) und Polyethersulfon (PES) mit einer nominalen Molekulargewichts-Ausschlussgrenze (NMWCO) von 100 kDa, sowie eine funktionalisierte PES-UF-Membran (NMWCO 300 kDa) untersucht. Die Funktionalisierung bestand aus einer amphoteren Polymer-Hydrogelschicht hergestellt durch UV induzierte Pfropfcopolymerisation von N [3 (dimethylamino)¬propyl]¬¬-acrylamid (DMAPAA) und 2-Acrylamido-2-methyl-1-propan¬sulfonsäure (AMPS). Dadurch wurde ein experimentell bestimmter NMWCO von 180 kDa erhalten, der identisch mit dem experimentellen Wert für PES 100 kDa ist. Die relevanten Membrancharakterisierungen wie beispielsweise Messungen des Kontaktwinkels, des Zeta-Potentials sowie Rasterelektronenmikroskopie wurden durchgeführt, um die Fraktionierungsleistung, die Anti-Fouling-Eigenschaften und die Wechselwirkungen zwischen Membranen und gelösten Stoffen zu erklären. Membraneigenschaften und Filtrationsbedingungen, insbesondere pH-Wert und Fluss, wurden auf der Grundlage von Daten zur Einzelkomponentenfiltration ausgewählt oder angepasst, um maximale Proteintransmission und vollständigen Siliziumdioxid-Rückhalt, und dementsprechend maximale Siliziumdioxid-/Proteinselektivität, zu erreichen. Dead-End-Filtration und kontinuierliche Diafiltration wurden zur Fraktionierung und Aufreinigung verwendet. Insgesamt war die Leistung der PES-UF-Membranen im Vergleich zu der der anderen Membranen aufgrund von zu starkem Fouling unterlegen. Bei der RC-Membran wurden Transmissionsraten von LYS bzw. BSA aus der Mischung mit Siliziumdioxid von 80% bzw. 30% gemessen. Bei der Hydrogel-funktionalisierten PES-Membran waren die jeweiligen Transmissionsraten aus dem Gemisch 35 % bzw. 15 % für LYS bzw. BSA. In beiden Fällen konnte ein quantitativer Rückhalt von Siliziumdioxid-Partikeln erreicht werden. Unter Verwendung von kontinuierlicher Diafiltration zeigte die RC-Membran die beste Filtrationsleistung; es wurden insgesamt 91 % LYS unter Benutzung von 6 Diavolumen (DV) in 2,4 Stunden entfernt, für BSA waren es 84 % bei 10 DV in 5,5 Stunden. Mit der Hydrogel-funktionalisierten PES-Membran wurden 82 % LYS bzw. 74 % BSA bei 6 bzw. 10 DV in einer längeren Zeitspanne entfernt, d.h. innerhalb von 4 bzw. 6,8 Stunden. Wichtig ist dabei zu bemerken, dass die zurückgehaltenen Siliziumdioxid-Nanopartikel in der Dispersion stabil blieben, ohne Anzeichen von Aggregation.
Das Ergebnis der Modellstudie wurde genutzt, um einen möglichen Nutzen in biotechnologischen und medizinischen Forschungsfeldern aufzuzeigen. In diesen Bereichen ist eine Voraussetzung für die Kombination von Nanopartikeln mit Biomolekülen zur Bildung funktionaler Hybridsysteme, dass eine hohe Reinheit erreicht wird. Dafür ist die Abtrennung von ungebundenen, überschüssigen Komponenten notwendig. Die RC-Membran wurde verwendet, um ungebundene überschüssige Peptide aus Dispersionen von Gold-Nanopartikel-Peptid-Biokonjugaten (hydrodynamischer Durchmesser 8,5 nm mit dynamischer Lichtstreuung bestimmt) in einer druckbetriebenen Diafiltration abzutrennen. Dies ist relevant, da ungebundene Bioliganden die Genauigkeit der biologischen Charakterisierung (Bioassay) beeinträchtigen können und da eine multivalente Biokonjugation ohne die vollständige Entfernung von freien Bioliganden nicht verhindert werden kann. Die RC-Membran mit NMWCO von 30 kDa zeigte quantitativen Rückhalt für biokonjugierte Gold-Nanopartikel (AuNP). Unter Verwendung dieser Membran war die Ausbeute an AuNP-Peptid-Biokonjugat im Retentat größer 87 %, bezogen auf die Ausgangsmenge in der Mischung. Die letztgenannten Ergebnisse wurden zusätzlich mit der Zentrifugal-Membran-Filtration verglichen, bei der die Leistung bezüglich der Entfernung von Peptide und Aufreinigung des Au-Peptid-Konjugats bedeutend hinter der der Membranfiltration zurückblieb. Alle Ergebnisse zeigen auf, dass RC-Membranen für die Reinigung von biokonjugierten Nanopartikel-Dispersionen sehr gut geeignet sind und dass der Diafiltrationsbetrieb sich deutlich besser zum Hochskalieren eignet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit die Erkenntnisse über die Verwendung von Membran-basierten Trennungsmethoden zur Nanopartikelfraktionierung bzw. -aufreinigung sowie zur Entfernung von Reaktionsrückständen deutlich erweitert hat.Membrane-based separations of nanoparticles dispersion (i.e. mixtures of proteins and metal oxide nanoparticles) have received little or no attention. The conventional separation methods (e.g. centrifugation) often compromise the product’s properties and recovery. In this work, a model study has been carried out by removing proteins (bovine serum albumin (BSA) or lysozyme (LYS)) from the dispersion mixtures with silica nanoparticles (nominal size 20 nm) by employing the sieving properties of ultrafiltration (UF) membranes. Membrane-based methods are easily scalable, less tedious and high throughput among other advantages. In this study, regenerated cellulose (RC) and polyethersulfone (PES) membranes with nominal molecular weight cut-off (NMWCO) of 100 kDa, and a PES UF membrane (NMWCO 300 kDa) functionalized with UV-grafted amphoteric polymer hydrogel layer consisting of N-[3-(dimethylamino)propyl]-acrylamide (DMAPAA) and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (AMPS) and having an experimentally determined cut-off of 180 kDa (identical with the experimental data for PES 100 kDa) were studied. Some relevant membrane characterization such as contact angle, zeta potential as well SEM measurements were done to elucidate fractionation performance, anti-fouling properties and membrane- solute interactions. Membrane properties and filtration conditions, in particular pH value and flux, were selected or adapted based on data for single component feeds to achieve maximum protein transmission, complete silica retention and, hence, maximum silica/protein selectivity. Batch dead-end and continuous diafiltration processes were used for fractionation and purification. Overall, the performance of PES UF membranes was inferior compared to the other membranes because of too strong fouling. With membrane RC 100, the transmission data of LYS and BSA from the mixture with silica were 80 % and 30 %, respectively. With the hydrogel-functionalized or modified PES membrane, the respective transmissions from the mixture were ~35 % and ~15 % for LYS and BSA, respectively. In both cases, quantitative rejection of silica could be achieved. Using continuous diafiltration, membrane RC 100 had better purification efficiency, removing a total of 91 % of LYS using 6 diavolumes (DV) in 2.4 h and 84 % of BSA using 10 DV in 5.5 h. With the hydrogel-functionalized PES membrane, 82 % of LYS and 74 % of BSA were removed using 6 and 10 DV within larger time, i.e. 4.0 and 6.8 h, respectively. Importantly, the retained silica nanoparticles remained stable in the dispersion, without any indication of aggregation.
The result of the model study was applied to show feasible benefits in biotechnological and medical fields were combination of nanoparticles with biomolecules to form functional hybrid systems demands high purity and separation of excess or unbound solutes. The RC membranes were used to separate unbound excessive ligands from the mixtures of gold nanoparticles-peptide bioconjugates (8.5 nm with dynamic light scattering) in a pressure driven diafiltration. This is pertinent because unbound ligands can compromise the specificity of bioassays and multivalent bioconjugation cannot be controlled without proper ligand removal. The RC membrane with NMWCO of 30 kDa showed absolute rejection of the bioconjugated AuNP. Using RC 30 kDa membrane, the recovery of AuNP-peptide bioconjugate in the retentate was > 87 % relative to the initial amount in the mixture. The latter results were additionally compared to the centrifugal membrane filtration method, where the efficiency of ligand removal and Au-peptide conjugate purity were found to be significantly lower than the ultrafiltration membrane method. All results indicate that RC membranes can be very well suited for the purification of bioconjugated nanoparticle dispersions and the diafiltration mode is much better suited for scale-up. Overall, this work has significantly expanded the knowledge about the use of membrane based separation methods for nanoparticle fractionation/purification as well as removal of residual reactants
Empirical physical properties of oversaturated urban traffic and energy efficiency of vehicles
No full textEs werden die empirischen physikalischen Eigenschaften des übersättigten innerstädtischen Verkehrs analysiert und der Zusammenhang zwischen übersättigtem innerstädtischem Verkehr und der Energieeffizienz von Fahrzeugen untersucht. Der empirischen Untersuchung des übersättigten innerstädtischen Verkehrs liegen anonymisierte GPS-Einzelfahrzeugdaten von Navigationsgeräten zugrunde. Zusätzlich werden aggregierte Daten der mittleren Geschwindigkeit und des Verkehrsflusses herangezogen, die von stationären Detektoren gemessen wurden. Die empirische Untersuchung zeigt, dass empirischer übersättigter Verkehr nach Einbruch der Geschwindigkeit aus klassischen Folgen von Moving Queues, Strukturen des Synchronisierten Verkehrs und Mischungen aus Moving Queues und Synchronisiertem Verkehr besteht. Diese Muster wechseln sich dabei typischerweise in Raum und Zeit ab. Bei einer starken Engstelle lässt sich eine empirische Mega-Queue beobachten. Ein weiteres Ergebnis ist, dass die Energieeffizienz von Fahrzeugen im übersättigten Verkehr verbessert werden kann, wenn der übersättigte Verkehr nur aus Synchronisiertem Verkehr besteht und nicht aus Moving Queues. Als praktisch anwendbares Ergebnis werden makroskopische Energiematrizen zur Online-Berechnung energieeffizienter Routen für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb gezeigt.Oversaturated urban traffic is analyzed regarding its empirical physical properties, and the connection between oversaturated urban traffic and the energy efficiency of vehicles is studied. The empirical analysis of oversaturated urban traffic is based on anonymized single-vehicle GPS data from navigation devices. In addition, aggregated data of mean speed and traffic flow measured by stationary detectors are used. The empirical analysis shows that empirical oversaturated traffic after speed breakdown consists of classical sequences of moving queues, synchronized flow patterns and mixtures between moving queues and synchronized flow. Typically, these traffic patterns alternate in space and time. At a heavy bottleneck, an empirical mega-queue is observed. A further result is that the energy efficiency of vehicles in oversaturated traffic can be improved if oversaturated traffic consists only of synchronized flow rather than consisting of sequences of moving queues. As a practical result, macroscopic energy matrices for the on-line calculation of energy efficient routes are presented for vehicles with a combustion engine and for electrical vehicles
Modeling of 3D Time-of-Flight Sensors and Systems
No full textOptische Distanzmessungen erlangen in jüngster Zeit immer größere Bedeutung. Die Anwendungsgebiete erstrecken sich vom Laser-Entfernungsmesser aus dem Baumarkt über Gestenerkennung bei Spielkonsolen bis hin zu autonomen Fahrzeugen.
Die in dieser Arbeit eingesetzte Methode zur optischen Distanzbestimmung ist das so genannte pulse-modulated Time-of-Flight-Verfahren (pm ToF). Dabei wird die Zeit bestimmt, die ein ausgesendeter Lichtpuls benötigt, bis er an einem Objekt reflektiert wird und von dort auf einen Sensor trifft. Aus dieser Laufzeit lässt sich die Entfernung zu dem Objekt berechnen.
Es hat sich gezeigt, dass die ermittelte Distanz von der Bestrahlungsstärke abhängt. In der Praxis führt dies zu unterschiedlichen Messergebnissen für Flächen unterschiedlicher Reflektanz in derselben Entfernung.
Mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten Modells konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt in der bestrahlungsabhängigen Driftgeschwindigkeit der durch den Laserpuls generierten Ladungsträger im Photoaktivgebiet begründet ist. Die Drift wird über eine inhomogene, nichtlineare, partielle Differentialgleichung beschrieben und diese für einige Spezialfälle analytisch gelöst.
Darauf aufbauend wird die Bewegung der Ladungsträger ausführlich numerisch untersucht und mit Messergebnissen bestehender Sensoren verglichen. Dabei zeigt sich, dass Simulation und Messung gut übereinstimmen und der Ladungstransport somit durch das Modell gut beschrieben wird.
Mit den Erkenntnissen des Modells und den Vorhersagen bezüglich der Transferzeit ist es möglich, das Photoaktivgebiet für einen möglichst schnellen Ladungstransport zu optimieren. Dies wird anhand eines neuen Pixel-Layouts demonstriert, das mit Hilfe des Modells entworfen und anschließend gefertigt wurde.
Da auch ein optimiertes Pixel die Bestrahlungsabhängigkeit nicht vollständig eliminieren kann, wird als weitere Anwendung des Modells eine angepasste Kalibrationsmethode vorgestellt. Durch das Modell können Korrekturen berechnet werden, die das dynamische Verhalten des Sensors berücksichtigen. Die gemessenen Signale werden hiermit verrechnet und es kann eine deutliche Verbesserung der Distanzmessung erreicht werden.The importance of optical distance measurement is continuously growing in modern day life. Various applications ranging from simple hand-held distance measuring gadgets to more complex gesture control for video games or autonomous driving systems are based on the technology.
The distance measurement technique used in this work is the so-called pulse-modulated time-of-flight method. In this case, the distance to an object is resolved from a time interval a laser pulse requires to travel to the object and after being reflected to a sensor.
Measurement data show that calculated distance depends on the irradiance, thus leading to different results for dark and bright areas in the same distance. To study this phenomenon a special simulation model has been introduced, which reveals that the effect originates from the irradiance dependent drift velocity of charge carriers generated in the sensor photoactive area by the reflected laser pulse. In the model the charge transport is described by an inhomogeneous, non-linear, partial differential equation, which has been solved analytically for various cases and compared to measurements on actual time-of-flight sensors. The result was an excellent agreement between the model based simulation and measurement data.
Implications of the model and prediction of the charge transfer allow for optimization of sensor pixel geometry and doping gradient to achieve fast charge transfer. The procedure has been demonstrated on a sensor with a newly designed pixel photoactive area.
Optimization of the sensor photoactive area cannot eliminate the irradiance dependence completely. Therefore, an advanced calibration algorithm has been developed: from the intensity of the reflected pulse and calculated transient behavior corrections can be calculated, which consider dynamic properties of a sensor. By applying these corrections to the measured sensor output signal precision of a range measurement can be dramatically enhanced
Computerbasierte Modellierung und Analyse der Gestalt und Verteilung von Partikeln zur Optimierung des Reinheitsgrades von Stahlwerkstoffen - Konzeption und Implementierung eines Rahmenwerks
No full textDie statistische Analyse von Partikelsystemen spielt in vielen Anwendungskontexten der Materialwissenschaften eine wichtige Rolle. Dabei ist sowohl die statistische Analyse der Gestalt der individuellen Partikel als auch die Analyse der Verteilungseigenschaften des gesamten Partikelkollektivs von Bedeutung. Eine Vielzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen der letzten Jahre fokussierte diese Themengebiete. Darin wurden diverse Verfahren zur Analyse von Partikelsystemen vorgestellt. Eine Integration dieser Techniken zu einem einheitlichen Analysesystem für dreidimensionale Partikelsysteme steht aber nach wie vor aus. Diese Lücke wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit durch das Bereitstellen eines theoretischen Rahmenwerks zur vollständigen statistischen Analyse von dreidimensionalen Partikelsystemen nebst protoypischer Implementierung geschlossen. Die Entwicklung dieses Rahmenwerks wurde dabei maßgeblich durch das von der Europäischen Union geförderte Ziel2-Projekt Silenos beeinflusst. Im Zuge dieses Projekts wurde an einer Methode zur schnellen Quantifizierung und Charakterisierung von Defekten, wie nichtmetallischen Einschlüssen und Poren, in Stahlproben geforscht. Die Detektion dieser Verunreinigungen erfolgt mittels Methoden der Bildverarbeitung in Bildern schichtweise abgefräster Werkstoffproben. Parallel zum Fräs- und Bildaufnahmeprozess werden die Bilder inkrementell segmentiert, die detektierten Defekte unter der Annahme einer dreidimensionalen Ausdehnung rekonstruiert, klassifiziert und schließlich statistisch ausgewertet. Dieser als Online-System bezeichnete Betriebsmodus erlaubt das Steuern des Fräsprozesses auf Basis der Ergebnisse der statistischen Auswertung nach jeder verarbeiteten Schicht und muss demnach von Rahmenwerk unterstützt werden. Die vorsegmentierten Schichtbilder des durch die Verunreinigungen geformten Partikelsystems bilden dabei die Grundlage für die im Rahmenwerk entwickelten Methoden. Ausgangspunkt ist die formale Definition des Partikelbegriffs, auf Basis derer Algorithmen zur effizienten Rekonstruktion der dreidimensionalen Morphologie der Partikel inkrementell aus den Schichtbildern abgleitet werden. Anhand der Rekonstruktion lässt sich dann die Gestalt der Partikel statistisch, durch geeignete Deskriptoren, quantifizieren und die Verteilung dieser untersuchen. Im Zentrum der Arbeit steht die Analyse der Größenverteilung und der räumlichen Verteilung mit dem Ziel, geeignete Modelle zu definieren, welche die Verteilungen adäquat beschreiben. Dazu werden zunächst explorative Datenanalysewerkzeuge zur Unterstützung des Modellbildungsprozesses eingeführt. Anschließend werden Schätzverfahren zur Parametrisierung der Modelle aus den beobachteten Daten besprochen und in einem letzten Schritt Modellvalidierungstechniken definiert, mit welchen die Übereinstimmung von Modell und beobachteten Daten überprüft werden kann. Zusammengenommen bilden diese, zunächst generisch eingeführten Methoden das Rahmenwerk. Dieses Rahmenwerk wird im weitern Verlauf der Arbeit verwendet, um die im Online-System definierten Operationen,
nämlich Rekonstruktion, Klassifikation und statistische Auswertung umzusetzen. Des Weiteren werden die Methoden des Rahmenwerks eingesetzt, um ein Modell für die Verteilung von nichtmetallischen Einschlüssen in Stahlproben zu konstruieren. Dieses Modell liefert die Grundlage für eine Simulationssoftware, mit der künstliche Stahlproben generiert werden. Anhand dieser lassen sich schließlich die Laufzeitanforderungen der im Rahmenwerk definierten Methoden für das Online-System validieren
On the relevance of hydraulic layer resistances in the fouling of salt-retaining membranes under special consideration of coupling effects
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Messkonzept vorgestellt, mit dem es möglich ist, den hydraulischen Durchströmungswiderstand von kolloidalen Foulingschichten zu ermitteln, die sich bei der membrangestützten Wasser-Entsalzung an der feedseitigen Oberfläche der Membran bilden. Die dabei zum Einsatz kommende Dead-End-Filtrationsapparatur ist so konzipiert, dass die Schichtbildung unter hydrodynamisch wohl definierten Filtrationsbedingungen erfolgt. So ist die Erzeugung kolloidaler Foulingschichten von beliebiger Zusammensetzung und Masse sowie unterschiedlicher Schichtstruktur möglich. Durch kontinuierliche Messung des Transmembrandruckes kann jeder erzeugten Schicht ein hydraulischer Widerstand quantitativ zugeordnet werden. Ebenso können osmotische Effekte, die im Zusammenhang mit der Salzrückhaltung der verwendeten Membranen auftreten, verlässlich quantifiziert und bei der Auswertung der Messergebnisse entsprechend berücksichtigt werden. Für Foulingschichten, die bei praxisüblichen operativen Bedingungen gebildet wurden, werden so (beladungs-)spezifische hydraulische Widerstände von bis zu 1x10^15 m/kg (kolloidal-partikuläre Deckschichten) bzw. 1x10^16 m/kg (makromolekulare Alginatdeckschichten) nachgewiesen. Widerstände dieser Größenordnung erscheinen insbesondere bei der Entsalzung von Rohwässern mit geringem bis mittlerem Salzgehalt von hoher Relevanz zu sein. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen weiterhin, dass auf der Darcy-Beziehung basierende Widerstandsmodelle prinzipiell auf monodisperse kolloidale Schichten anwendbar sind. Bei sehr dünnen Schichten (mit verhältnismäßig geringem hydraulischen Widerstand) ist jedoch ein, bei dichten Membranen, bisher nicht wissenschaftlich beschriebener partikelgrößenabhängiger Oberflächeneffekt zu berücksichtigen, der den Widerstand der unmittelbar an die Membran angrenzenden Partikelschichten (vermutlich verursacht durch eine Inaktivierung der Membranoberfläche durch aufliegende Kolloide) überproportional erhöhen kann. Es wird auch gezeigt, dass der hydraulische Widerstand kolloidaler Foulingschichten weitaus stärker von der Partikelgröße abhängig ist, als dies klassische, für makroskopische Systeme entwickelte, Widerstandsmodelle, wie die Kozeny-Carman-Gleichung, vermuten lassen. Es werden mögliche Ursachen für dieses Phänomen aufgeführt und eine entsprechende Modellanpassung vorgeschlagen. Weiterhin scheint der Widerstand bidisperser kolloidaler Schichten in beträchtlichem Umfang von der Partikelgrößenverteilung innerhalb der Schicht abhängig zu sein, die wiederum maßgeblich von der zeitlichen Abfolge bei der Anfiltration der Partikelgrößen bestimmt wird. Bezüglich des Einflusses der Feed-Salzkonzentration wird gezeigt, dass der hydraulische Widerstand kolloidaler Foulingschichten stark ansteigt, wenn während der Schichtbildung eine erhöhte Salzkonzentration (Ionenstärke) vorliegt. Dieser Effekt ist vermutlich auf eine Beeinflussung des makroskopischen Schichtaufbaus zurückzuführen, die zum Großteil irreversibel zu sein scheint. Die möglichen Ursachen für diese Beeinflussung sowie der Ursachen für die weitaus geringere reversible Widerstandsveränderung, die durch eine Variation des Feed-Salzgehaltes hervorgerufen wird, werden diskutiert und ihre Plausibilität unter Berücksichtigung der vorliegenden Filtrationsumstände bewertet. Darüber hinaus wird ein bisher nicht wissenschaftlich beschriebener Kopplungsmechanismus als Ursache für den reversiblen Ionenstärke-Einfluss vorgeschlagen, der auf der Wechselwirkung zwischen Konzentrationspolarisation und der Membraninaktivierung durch aufliegende Foulantpartikel beruht.In the present thesis a new measuring concept for the determination of the hydraulic flow resistance of colloidal fouling layers on the feed-site surface of water desalination membranes is introduced. The therefor used dead-end filtration apparatus is specifically designed to generate fouling layers under hydrodynamic well-defined filtration conditions.
As a result colloidal fouling layers of any composition and mass as well as of different layer structure are possible. By continuously measuring the transmembrane pressure, the hydraulic resistance can be quantitatively assigned to each produced layer. Likewise, osmotic effects occurring with the salt retention of the membranes can be reliably quantified and correspondingly taken into account in the evaluation of the measured results. For fouling layers, formed under practical operating conditions, specific hydraulic resistances of up to 1x10^15 m/kg (colloidal-particulate layers) or 1x10^16 m/kg (macromolecular alginate layers) are detected. Resistances of this magnitude appear to be particularly relevant in the desalination of feed waters with low to medium salt content.
The performed investigations also show that resistance models based on the Darcy-law can in principle be applied to monodisperse colloid layers. In the case of very thin layers (with relatively low hydraulic resistance), however, a particle size-dependent surface effect, which has not previously been scientifically described in the case of dense membranes, has to be taken into account. Presumably caused by inactivation of the membrane surface by colloids with direct membrane contact, this effect disproportionately increases the resistance of the particle layers directly adjoining the membrane.
It is also shown that the hydraulic resistance of colloidal fouling layers is much more dependent on the particle size than conventional resistance models developed for macroscopic systems, such as the Kozeny-Carman equation, suggest. Possible causes for this phenomenon are listed and a corresponding model adaptation proposed. Furthermore, the resistance of bidisperse colloidal layers appears to be significantly depending on the particle size distribution within the layer, which in turn is decisively determined by the temporal filtration sequence of the particle sizes.
Concerning the influence of the feed salt concentration, it is shown that the hydraulic resistance of colloidal fouling layers increases strongly if an increased salt concentration (ionic strength) is present during the layer formation. This effect is presumably due to an influence on the macroscopic layer structure, which seems largely irreversible. The possible causes for this influence as well as the causes for the far lower reversible resistance change caused by a variation of the feed salt content are discussed and their plausibility is evaluated taking into account the existing filtration conditions. In addition, a coupling mechanism, which has hitherto not been scientifically described, is proposed as the cause of the reversible ionic strength influence. This mechanism is based on the interaction between concentration polarization and the membrane inactivation by fouling particles in direct contact with the membrane
Contribution Barriers to Open Source Projects
No full textContribution barriers are properties of Free/Libre and Open Source Software (FLOSS) projects that may prevent newcomers from contributing. Contribution barriers can be seen as forces that oppose the motivations of newcomers. While there is extensive research on the motivation of FLOSS developers, little is known about contribution barriers. However, a steady influx of new developers is connected to the success of a FLOSS project.
The first part of this thesis adds two surveys to the existing research that target contribution barriers and motivations of newcomers. The first exploratory survey provides the indications to formulate research hypotheses for the second main survey with 117 responses from newcomers in the two FLOSS projects Mozilla and GNOME. The results lead to an assessment of the importance of the identified contribution barriers and to a new model of the joining process that allows the identification of subgroups of newcomers affected by specific contribution barriers.
The second part of the thesis uses the pattern concept to externalize knowledge about techniques lowering contribution barriers. This includes a complete categorization of the existing work on FLOSS patterns and the first empirical evaluation of these FLOSS patterns and their relationships. The thesis contains six FLOSS patterns that lower specific important contribution barriers identified in the surveys.
Wikis are web-based systems that allow its users to modify the wiki's contents. They found on wiki principles with which they minimize contribution barriers. The last part of the thesis explores whether a wiki, whose content is usually natural text, can also be used for software development. Such a Wiki Development Environment (WikiDE) must fulfill the requirements of both an Integrated Development Environment (IDE) and a wiki. The simultaneous compliance of both sets of requirements imposes special challenges. The thesis describes an adapted contribution process supported by an architecture concept that solves these challenges. Two components of a WikiDE are discussed in detail. Each of them helps to lower a contribution barrier. A Proof of Concept (PoC) realization demonstrates the feasibility of the concept
Two-Stage Stochastic Semidefinite Programming: Theory, Algorithms, and Application to AC Power Flow under Uncertainty
No full textIn real life decision problems, one almost always is confronted with uncertainty and risk. For practical optimization problems this is manifested by unknown parameters within the input data, or, an inexact knowledge about the system description itself. In case the uncertain problem data is governed by a known probability distribution, stochastic programming offers a variety of models hedging against uncertainty and risk. Most widely employed are two-stage models, who admit a recourse structure: The first-stage decisions are taken before the random event occurs. After its outcome, a recourse (second-stage) action is made, often but not always understood as some "compensation''.
In the present thesis, the optimization problems that involve parameters which are not known with certainty are semidefinite programming problems. The constraint sets of these optimization problems are given by intersections of the cone of symmetric, positive semidefinite matrices with either affine or more general equations. Objective functions, formally, may be fairly general, although they often are linear as in the present thesis.
We consider risk neutral and risk averse two-stage stochastic semidefinite programs with continuous and mixed-integer recourse, respectively. For these stochastic optimization problems we analyze their structure, derive solution methods relying on decomposition, and finally apply our results to unit commitment in alternating current (AC) power systems.
Furthermore, deterministic unit commitment in AC power transmission systems is addressed. Beside traditional unit commitment constraints, the physics of power flow are included. To gain globally optimal solutions a recent semidefinite programming (SDP) approach is used which leads to large-scale semidefinite programs with discrete variables on top. As even the SDP relaxation of these programs is too large for being handled in an all-at-once manner by general SDP solvers, it requires an efficient and reliable method to tackle them. To this end, an algorithm based on Benders decomposition is proposed.
With power demand (load) and in-feed from renewables serving as sources of uncertainty, two-stage stochastic programs are set up heading for unit commitment schedules which are both cost-effective and robust with respect to data perturbations. The impact of different, risk neutral and risk averse, stochastic criteria on the shapes of the optimal stochastic solutions will be examined. To tackle the resulting two-stage programs, we propose to approximate AC power flow by semidefinite relaxations. This leads to two-stage stochastic mixed-integer semidefinite programs having a special structure. To solve the latter, the L-shaped method and dual decomposition have been applied and compared.Betrachtet man reale Entscheidungsprobleme, die also der Wirklichkeit entstammen, so ist man fast immer mit Unsicherheiten und Risiken konfrontiert. Für konkrete Optimierungsprobleme äußert sich dies sowohl in Form von ungewissen Parametern in den Eingangsdaten, als auch durch eine unzureichende Kenntnis über die Systembeschreibung selbst. Handelt es sich um zufallsbehaftete Eingangsdaten, dessen Verteilung bekannt ist, so stellt die Stochastische Optimierung eine Vielzahl von Modellen bereit - allesamt mit dem Ziel sich gegen Unsicherheiten und Risiken abzusichern. Die am Häufigsten verwendeten stochastischen Modelle sind zweistufige Modelle. Diese gestatten folgende Kompensationsstrategie: Eine Erststufenentscheidung wird getroffen bevor das Zufallsereignis eintritt. Nach Realisierung des Zufalls können Korrekturmaßnahmen (zweite Stufe) ergriffen werden, welche häufig, aber nicht immer, als "Kompensation" verstanden werden.
Die vorliegende Arbeit behandelt Semidefinite Programme, dessen Parameter nicht mit Sicherheit bekannt sind. Der Zulässigkeitsbereich dieser Optimierungsprobleme entsteht aus dem Durchschnitt affiner oder auch allgemeinerer Gleichungen mit dem Kegel der symmetrisch und positiv semidefiniten Matrizen. Die Zielfunktion kann relativ allgemein sein, wird aber häufig, wie es auch in dieser Arbeit der Fall ist, als linear angenommen.
Es werden risikoneutrale und risikoaverse zweistufige stochastische semidefinite Optimierungsprobleme mit jeweils stetiger und gemischt-ganzzahliger Kompensation betrachtet. Wir analysieren die Struktur dieser stochastischen Optimierungsprobleme, leiten dekompositionsbasierte Lösungsverfahren her und wenden unsere Resultate auf das Problem der optimalen Kraftwerkseinsatzplanung in
Wechselstromnetzen an.
Ferner beschäftigt sich diese Arbeit mit der deterministischen Kraftwerkseinsatzplanung in Wechselstromnetzen. Neben den traditionellen technischen Bedingungen an die einzelnen Kraftwerke wird auch die Physik des Wechselstroms berücksichtigt. Um global optimale Lösungen zu erhalten wird eine auf Semidefinite Programmierung (SDP) basierende Lösungsstrategie benutzt. Dieser Ansatz resultiert in einem umfangreichen semidefiniten Programm, welches zusätzlich diskrete Entscheidungsvariablen enthält. Da selbst die SDP Relaxierung dieses Optimierungsproblems zu groß ist um es mittels gängiger SDP Löser auf einmal zu lösen, wird eine effiziente und zuverlässige Methode benötigt. Es wird ein Algorithmus basierend auf dem Dekompositionsprinzip von Benders vorgeschlagen.
Ausgehend vom Energiebedarf (Last) und der Einspeisung der erneuerbaren Energien als Unsicherheitsquelle, wird ein zweistufiges stochastisches Optimierungsproblem formuliert. Das Ziel ist es, einen Kraftwerkseinsatzplan zu finden, der wirtschaftlich effektiv und robust gegenüber Veränderungen in den Daten ist. Es werden die Auswirkungen des risikoneutralen und risikoaversen Ansatzes auf die stochastische Lösung untersucht und miteinander verglichen. Um die resultierenden zweistufigen Programme zu lösen wird das Wechselstromnetz mit Hilfe des SDP Ansatzes approximiert. Dies führt zu zweistufigen stochastischen gemischt-ganzzahligen semidefiniten Programmen mit spezieller Struktur. Als Lösungsmethoden wurden die L-shaped Methode und die duale Dekomposition verwendet
Motivische Homotopietheorie in der derivierten algebraische Geometrie
No full textIn topology, generalized cohomology theories are representable in the stable homotopy category. The analogue in algebraic geometry is the stable motivic homotopy category, constructed by Morel–Voevodsky, where generalized motivic cohomology theories are representable. In this thesis, we consider an extension of this construction to the world of derived algebraic geometry. We demonstrate the Morel–Voevodsky localization theorem in this setting, and establish the formalism of Grothendieck’s six operations. This formalism is encoded together with all homotopy coherence data using the language of higher category theory